(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルを巻きつけた永久磁石により対象物に対して前記永久磁石による磁束を与えると共に、前記コイルに流れる電流により前記対象物に渦電流を発生させることにより、前記対象物に超音波を発生させる電磁超音波探触子であって、
前記永久磁石は外周面から内周面への径方向に磁化された円筒形状であり、
前記コイルは前記永久磁石の周方向を軸にして巻きつけられている、
ことを特徴とする電磁超音波探触子。
【請求項２】
コイルを巻きつけた永久磁石により対象物に対して前記永久磁石による磁束を与えると共に、前記コイルに流れる電流により前記対象物に渦電流を発生させることにより、前記対象物に超音波を発生させる電磁超音波探触子であって、
前記永久磁石は外周面から内周面への径方向に磁化された少なくとも１つの円弧状の永久磁石であり、
前記コイルは前記永久磁石の周方向を軸にして巻きつけられている、
ことを特徴とする電磁超音波探触子。
【請求項３】
前記対象物が円筒形状であり、前記永久磁石を前記対象物の周方向に複数配置したことを特徴とする請求項２に記載の電磁超音波探触子。
【請求項４】
コイルを巻きつけた永久磁石により対象物に対して前記永久磁石による磁束を与えると共に、前記コイルに流れる電流により前記対象物に渦電流を発生させることにより、前記対象物に超音波を発生させる電磁超音波探触子であって、
前記永久磁石は円筒形状の前記対象物の外周面に沿って配置されると共に、前記対象物の外周面から内周面への径方向に磁化された少なくとも１つの直方体の永久磁石であり、
前記コイルは前記永久磁石の磁化された方向に対して垂直方向を軸にして前記永久磁石に巻きつけられている、
ことを特徴とする電磁超音波探触子。  
【請求項５】
前記永久磁石を前記対象物の周方向に複数配置したことを特徴とする請求項４に記載の電磁超音波探触子。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５の何れかに記載の電磁超音波探触子を前記対象物の表面に対して磁束密度が直交するように配置し、
前記電磁超音波探触子の前記コイルに交流電流を流して前記対象物の表面に渦電流を誘導して、前記対象物に発生するローレンツ力により超音波を発生させ、
前記超音波の反射エコーを前記電磁超音波探触子により検出することを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項７】
請求項３または請求項５の何れかに記載の電磁超音波探触子を、
前記複数の永久磁石のそれぞれが、前記対象物の軸方向位置が異なるように配置することで、前記対象物の軸方向に対して斜めに配置することを特徴とする超音波探傷方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁超音波探触子および超音波探傷装置ならびに超音波探傷方法に関し、特に、配管の欠陥や減肉を検出する電磁超音波探触子および超音波探傷装置ならびに超音波探傷方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、配管の欠陥や減肉を検出する方法として、特許文献１に示されているような方法がある。特許文献１に示されている方法は、配管の磁歪効果を利用するものである。すなわち、配管にコイルを巻きつけるとともに、配管近傍に永久磁石または電磁石により磁場を加え、静的な磁気歪を発生させる。配管に巻きつけたコイルに交流電流を流すことにより、配管に交流磁界を発生させ、静的な磁気歪量を変化させることにより、超音波を発生させる。特許文献１では、磁歪効果のない配管の場合には、あらかじめ磁気歪を与えた金属バンドを配管に巻きつけ、当該金属バンド上にコイルを巻きつけておく。このコイルに交流電流を流すことによって、金属バンドの磁気歪量を変化させ、金属バンドを振動させる。この金属バンドの振動を配管に伝えることによって、配管に超音波を発生させることができる。
【０００３】
しかしながら、特許文献１に示されている方法は、配管自体に磁歪効果がある場合には有効な方法であるが、配管に磁歪効果がない場合には、特許文献１にも示されているように金属バンドを使用する必要がある（公報第６頁第３２〜３７行目参照）。通常、この金属バンドを使用して配管に超音波を送受信する場合には、位置決めした後に接着等による接合が必要となる。汎用の配管は、特殊な処理をしない限り、磁歪効果がないので、金属バンドを配管に接合することとなる。配管に接合した金属バンドを使用して超音波の送受信を行なう場合には、接合に時間がかかり、準備作業が長くなること、接合品質の保証が困難であるため、作業員の技量に応じて検査にバラツキが生ずるという課題がある。
【０００４】
これに対し、特許文献２に示されているように、電磁超音波探触子を使用する方法が提案されている。超音波の受信用に電磁超音波探触子を使用する方法である。特許文献２に示されている方法は、２枚の永久磁石を磁化方向が異なるように配列するとともにこれら配列された永久磁石の一方の面にコイルを設置したものである。特許文献２に示された方法は、配管の磁歪効果を使用しないので、金属バンドが不要であり、接合のための作業も不要となる（公報段落［００６８］および図４参照）。
【０００５】
特許文献２に示されている電磁超音波探触子においては、超音波を受信するためのパンケーキコイルを設置している。図１２の上側に示すように、パンケーキコイル２８は、交流電流６が供給される入力端子が接続された外側の端部から矩形の螺旋状に形成されて出力端子に接続された内側の端部にまで連続するような平面形状を有している。図１２の下側に示すように、２枚の永久磁石１８は、そのＳ極とＮ極が互いに磁化方向が異なるように配列され、配列された永久磁石１８の下方（超音波受信側）に、超音波を受信するためのパンケーキコイル２８を配置している。  このパンケーキコイル２８に交流電流６が供給されることにより、図１２の下側に示す方向に磁束１６が発生し、配管３の表面には渦電流７が発生して矢印で示す方向のローレンツ力１７が生じている。
【特許文献１】特許第３６６９７０６号公報
【特許文献２】特開２００６−５３１３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２に示すようなパンケーキコイルは特殊な冶具を使用して汎用の鋼線を平面状に巻いて製作するか、プリント基板をエッチングして製作するため、製造方法が複雑になる。このため、製造が容易なソレノイドコイルを使用した電磁超音波探触子が望まれていた。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、製造が容易なソレノイドコイルを使用した電磁超音波探触子および超音波探傷装置ならびに超音波探傷方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の第1の構成に係る電磁超音波探触子は、コイルを巻きつけた永久磁石により対象物に対して前記永久磁石による磁束を与えると共に、前記コイルに流れる電流により前記対象物に渦電流を発生させることにより、前記対象物に超音波を発生させる電磁超音波探触子であって、前記永久磁石は外周面から内周面への径方向に磁化された円筒形状であり、前記コイルは前記永久磁石の周方向を軸にして巻きつけられている、ことを特徴とする。
【０００９】
本発明の第２の構成に係る電磁超音波探触子は、コイルを巻きつけた永久磁石により対象物に対して前記永久磁石による磁束を与えると共に、前記コイルに流れる電流により前記対象物に渦電流を発生させることにより、前記対象物に超音波を発生させる電磁超音波探触子であって、前記永久磁石は外周面から内周面への径方向に磁化された少なくとも１つの円弧状の永久磁石であり、前記コイルは前記永久磁石の周方向を軸にして巻きつけられている、ことを特徴とする。
【００１０】
本発明の第３の構成に係る電磁超音波探触子は、上記第２構成に記載の電磁超音波探触子において、前記対象物が円筒形状であり、前記永久磁石を前記対象物の周方向に複数配置したことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第４の構成に係る電磁超音波探触子は、コイルを巻きつけた永久磁石により対象物に対して前記永久磁石による磁束を与えると共に、前記コイルに流れる電流により前記対象物に渦電流を発生させることにより、前記対象物に超音波を発生させる電磁超音波探触子であって、前記永久磁石は円筒形状の前記対象物の外周面に沿って配置されると共に、前記対象物の外周面から内周面への径方向に磁化された少なくとも１つの直方体の永久磁石であり、前記コイルは前記永久磁石の磁化された方向に対して垂直方向を軸にして前記永久磁石に巻きつけられている、ことを特徴とする。
【００１２】
本発明の第５の構成に係る電磁超音波探触子は、上記第４の構成に記載の電磁超音波探触子において、前記永久磁石を前記対象物の周方向に複数配置したことを特徴とする。
【００１４】
本発明の第６の構成に係る超音波探傷方法は、上記第１ないし第５の構成の何れかに記載の電磁超音波探触子を前記対象物の表面に対して磁束密度が直交するように配置し、前記電磁超音波探触子の前記コイルに交流電流を流して前記対象物の表面に渦電流を誘導して、前記対象物に発生するローレンツ力により超音波を発生させ、前記超音波の反射エコーを前記電磁超音波探触子により検出することを特徴とする。
【００１７】
本発明の第７の構成に係る超音波探傷方法は、上記第３または第５の構成の何れかに記載の電磁超音波探触子を、前記複数の永久磁石のそれぞれが、前記対象物の軸方向位置が異なるように配置することで、前記対象物の軸方向に対して斜めに配置することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の電磁超音波探触子および超音波探傷装置ならびに超音波探傷方法によれば、ソレノイドコイルの製造が容易となり、低廉なコストで配管の欠陥や減肉を確実に検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る電磁超音波探触子および超音波探傷装置ならびに超音波探傷方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】
（第１実施形態）
まず、図１を用いて第１実施形態を説明する。本第１実施形態に示された電磁超音波探触子Ａは、外周面から内周面への径方向に磁化された円筒形状の永久磁石１とこの永久磁石１の周方向を軸にして巻回されたソレノイドコイル２から構成されている。そして、この電磁超音波探触子Ａを使用する場合には、図１に示したように、探傷対象である配管３に対して磁束密度が加わるように設置して使用する。また、電磁超音波探触子Ａは固定治具４を使用して、配管３に固定する。
【００２１】
このように構成された電磁超音波探触子Ａにおいて、図２に基づいて、動作を説明する。図２は、図１の電磁超音波深触子Ａの一部を拡大して示したものである。径方向に磁化された円筒状の永久磁石１により、探傷対象である配管表面に直交するように磁束密度５が加わる。次に、この永久磁石１に巻いたソレノイドコイル２に交流電流６を流すと、配管表面には、図２に示したように配管の軸方向に渦電流７が誘導される。
【００２２】
これら磁束密度５と渦電流７が直交して発生するので、配管３の周方向にはフレミングの左手の法則により、ローレンツ力８が発生する。このローレンツ力８は、交流電流６によって誘導された渦電流７によって発生するので時間的に変化する。したがって、このローレンツ力８により、交流電流６と同じ周波数の超音波が発生することとなる。しかも、発生したローレンツ力８の発生方向が、配管３の周方向であり、配管３の軸方向に振動成分を持たないので、純粋なねじれ振動を発生していることとなる。
【００２３】
ここで、超音波の周波数が高く、波長が配管の板厚より短い場合には、通常の横波として配管の径方向に伝播することとなる。しかし、超音波の周波数が低く、波長が配管の板厚より長い場合には、配管の径方向には伝播せず、配管の軸方向に伝播することとなる。この場合、振動方向が配管周方向であり、伝搬方向が配管軸方向なので、ねじれ波となる。
【００２４】
なお、上記説明は超音波発生の動作であるが、超音波を受信する動作は、図３に示したような逆のプロセスとなる。すなわち、図１および図２に示したような構成の電磁超音波探触子において、磁束密度（Ｂ）５が加わった状態で、ねじれ波が到達し、配管３の周方向に振動（Ｖ）９があれば、フレミングの右手の法則（Ｅ＝Ｖ×Ｂ）によって、配管表面に電界（Ｅ）が発生する。この電界（Ｅ）によって、配管表面には、渦電流（Ｊ＝σＥ、σは導電率）１０が発生する。この電流（Ｊ）１０によって、鎖交磁束１１が発生する。この鎖交磁束１１はソレノイドコイル２に鎖交するので、ソレノイドコイル２の両端には、この鎖交磁束１１によりファラデーの法則に基づく電圧（Ｖout）が発生し、超音波を検出できる。したがって、図１および図２に示した電磁超音波探触子Ａは、ねじれ波を送信できるとともに受信も可能である。
【００２５】
上記の構成を有する電磁超音波探触子Ａを使用する場合が図４に示されている。図４において、電磁超音波探触子Ａによりねじれ波１２を発生させる。配管３に減肉や欠陥１３がある場合、減肉または欠陥の箇所でねじれ波１２が反射し、その反射エコー１４を電磁超音波探触子Ａで検出する。このようにして、配管内の減肉発生箇所や欠陥の発生箇所を検出することができる。
【００２６】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態の電磁超音波探触子Ｂについて図５を用いて説明する。図５において、電磁超音波探触子Ｂは、外周面から内周面への径方向に磁化された円弧状の永久磁石１５とこの永久磁石１５の周方向を軸にして巻いたソレノイドコイル２から構成される。図５に示した構成の電磁超音波探触子Ｂの動作は、図１および図２に示した第１実施形態の電磁超音波探触子Ａと同じである。すなわち、径方向に磁化された円弧状の永久磁石１５により、図５に示したように配管の径方向に磁束密度１６が加わる。次に、この永久磁石１５に巻いたソレノイドコイル２に交流電流６を流すと、配管表面には、図５に示したように配管の軸方向に渦電流７が誘導される。これら磁束密度１６と渦電流７が直交しているので、配管３の周方向にはフレミングの左手の法則により、ローレンツ力１７が発生する。
【００２７】
このローレンツ力１７は、交流電流６によって誘導された渦電流７によって発生するので時間的に変化する。したがって、このローレンツ力１７により、交流電流６と同じ周波数の超音波が発生することとなる。しかも、発生したローレンツ力１７の発生方向が、配管３の周方向であり、配管３の軸方向に振動成分を持たないので、純粋なねじれ振動を発生していることとなる。
【００２８】
ここで、第１実施形態でも述べたが、超音波の周波数が高く、波長が配管の板厚より短い場合には、通常の横波として配管の径方向に伝播することとなる。しかし、超音波の周波数が低く、波長が配管の板厚より長い場合には、配管の径方向には伝播せず、配管の軸方向に伝播することとなる。この場合、振動方向が配管周方向であり、伝搬方向が配管軸方向なので、ねじれ波となる。
【００２９】
また、超音波の受信も第１実施形態と全く同様の動作によりなされるので、ここでは省略する。図５に示した第２実施形態の電磁超音波探触子も、第１実施形態と同様に超音波の送信と受信が可能である。さらに、図４に示した第１実施形態と同様にして配管内の減肉発生箇所や欠陥発生箇所の検出を行なう。
【００３０】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る電磁超音波探触子について図６を用いて説明する。図６において、第２実施形態に示した電磁超音波探触子Ｂを複数個配管３の周方向に配列する。そして、それら電磁超音波探触子Ｂを直列または並列に接続してねじれ波の送受信を行なう。
【００３１】
このようにすれば、第２実施形態に示した電磁超音波深触子Ｂで送信強度が不足した場合でも、複数個使用することで送信強度を向上させることができる。また、受信した超音波エコーも使用した電磁超音波探触子Ｂの数だけ大きくできるので、受信感度も向上する。
【００３２】
この第３実施形態において、少ない電磁超音波探触子で十分な超音波エコーレベルが得られれば、電磁超音波探触子のコストダウンが図られる。
【００３３】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る電磁超音波探触子Ｃについて、図７を用いて説明する。図７において、電磁超音波探触子Ｃは、配管表面３に対して垂直方向に磁化された直方体の永久磁石１８とこの永久磁石１８の磁化された方向に対して垂直方向を軸にして巻いたソレノイドコイル２から構成される。図７に示した電磁超音波探触子Ｃの動作は、図１ないし図４に示した電磁超音波探触子Ａ、図５および図６に示した電磁超音波探触子Ｂと同様であるので省略する。また、超音波の受信も、第１実施形態と全く同様の動作によりなされるのでこれも省略する。
【００３４】
すなわち、発生したローレンツ力１７の発生方向が、配管３の周方向であり、配管３の軸方向に振動成分を持たないので、純粋なねじれ振動を発生していることとなる。ここで、第１実施形態と同様に、超音波の周波数が高く、波長が配管の板厚より短い場合には、通常の横波として配管の径方向に伝播することとなる。しかし、超音波の周波数が低く、波長が配管の板厚より長い場合には、配管の径方向には伝播せず、配管の軸方向に伝播することとなる。この場合、振動方向が配管周方向であり、伝搬方向が配管軸方向なので、ねじれ波となる。
【００３５】
また、超音波の受信も第１実施形態と全く同様の動作によりなされるので、ここでの説明は省略する。図７に示した電磁超音波探触子Ｃも、第１実施形態と同様に超音波の送信と受信が可能である。さらに、図４に示した第１実施形態と同様にして配管内の減肉発生箇所や欠陥発生箇所１３の検出を行なう。
【００３６】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係る電磁超音波探触子について図８を用いて説明する。図８において、第４実施形態に示した電磁超音波探触子Ｃを複数個配管の周方向に配列する。そして、それら電磁超音波探触子Ｃを直列または並列に接続してねじれ波の送受信を行なっている。このようにすれば、第４実施形態に示した電磁超音波探触子で送信強度が不足した場合でも、複数個使用することで送信強度を向上させることができる。また、受信した超音波エコーも使用した電磁超音波探触子の数だけ大きくできるので、受信感度も向上する。
【００３７】
第５実施形態において、少ない電磁超音波探触子で十分な超音波エコーレベルが得られれば、電磁超音波探触子のコストダウンが図られる。
【００３８】
また、第１実施形態ないし第５実施形態の電磁超音波探触子を２個使用し、しかもこれらの電磁超音波深触子を隣接させて設置し、一方を超音波送信用、他方を超音波受信用とした超音波探傷装置であっても良い。
【００３９】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態に係る超音波探傷装置及びその方法について図９を用いて説明する。図９は第１実施形態ないし第５実施形態の電磁超音波探触子を２個、配列したことを示している。しかも図９において、２つの電磁超音波探触子間の距離を発生するねじれ波の波長の１／４とする。
【００４０】
このときの電磁超音波探触子の動作について図１０（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。図１０（ａ）において、電磁超音波深触子の一方を♯１として、電磁超音波深触子♯１と１／４波長離して設置したもう一方の電磁超音波深触子を♯２とする。電磁超音波探触子♯１に、電流値が０から徐々に増加する正弦波の交流電流を流すと、ねじれ波１９ａ、１９ｂは、図１０（ｂ）に示したように、振幅が０から徐々に増加するとともに、配管の右側と左側に対称に伝播する。
【００４１】
次に、電磁超音波探触子♯２に正弦波の交流電流であって、しかも、電磁超音波探触子♯１に対して、位相が９０度異なる正弦波の交流電流を流すと、ねじれ波２０ａ、２０ｂは図１０（ｃ）に示したように、振幅が最大値から始まり、配管の右側と左側に対称に伝播する。したがって、配管３の上では、これら２つのねじれ波１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂが加算されるので、結局、図１０（ｄ）に示したように、配管３の右側では、電磁超音波探触子♯１と電磁超音波探触子♯２で発生したねじれ波２１ａが同相となって重なり合うことになる。
【００４２】
しかし、配管の左側では、電磁超音波探触子♯１と電磁超音波探触子♯２で発生したねじれ波２１ｂが逆相となり、打ち消し合う。したがって、このような構成および交流電流の位相関係で電磁超音波探触子♯１と電磁超音波探触子♯２を動作させれば、一方向に伝播するねじれ波２１ａを発生させることができる。一方向に伝播するねじれ波を使えば、超音波の強度が加算されることとなるので、配管減肉や欠陥からの反射エコーのレベルを向上させることができる。
【００４３】
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態に係る超音波探傷方法について図１１を用いて説明する。第７実施形態は、エルボ配管２２、曲率のある配管２２に適用する場合の実施例である。図１１（ａ）において、第７実施形態は、第１実施形態ないし第５実施形態の電磁超音波探触子および第６実施形態の超音波探傷装置をエルボ配管２２が接続されている配管３に設置し、エルボ配管２２からのねじれ波の入射と反射を模式的に示したものである。電磁超音波探触子によって発生したねじれ波２３は、波面２４が配管軸方向に直角であり、電磁超音波探触子を設置した配管３を反射することなく伝播し、エルボ配管２２に入る。
【００４４】
次に、最初に曲率が大きく変わる（１）の箇所でねじれ波の波面２５とエルボ配管２２の曲率が異なるためねじれ波は反射する。さらに、（２）および（３）の端面でも反射する。以上、説明したように、エルボ配管等、曲率のある配管では、曲率が変わるところで、ねじれ波は反射することとなる。したがって、図１１（ａ）の箇所に配管減肉や欠陥があれば、曲率部からの反射エコーと重なってしまい、配管減肉や欠陥を識別できなくなる。
【００４５】
これに対し、図１１（ｂ）のように、電磁超音波探触子を約４５度傾けて配管３に設置する。この場合、ねじれ波の波面２６は、配管軸方向に約４５度傾く。このねじれ波は、直管部を反射することなく伝播し、エルボ配管２２に入る。次に、最初に曲率が大きく変わる（１）の箇所でも波面２７の傾き角とエルボ配管２２の曲率が同じであるので、（ａ）のように反射は起こらず、そのまま伝播することとなる。
【００４６】
さらに、ねじれ波が端面（２）と（３）に到達した場合には、これらの端面で反射する。したがって、図１１（ｂ）に示した取り付け方法にすれば、エルボ配管２２の端面でのみねじれ波の反射が起きるので、（１）の箇所に配管減肉や欠陥があっても検出できることとなる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１実施形態の構成を示す概略図。
【図２】第１実施形態でのねじれ波を送信する動作の説明図。
【図３】第１実施形態でのねじれ波を受信する動作の説明図。
【図４】第１実施形態における配管減肉や欠陥を検出する動作の説明図。
【図５】本発明の第２実施形態の構成を示す概略図。
【図６】第２実施形態の電磁超音波探触子を複数個直列に接続した第３実施形態を示す説明図。
【図７】本発明の第４実施形態の構成を示す概略図。
【図８】第４実施形態の電磁超音波探触子を複数個直列に接続した第５実施形態を示す説明図。
【図９】本発明の第６実施形態の構成を示す概略図。
【図１０】第６実施形態における超音波の一方向への伝播（ａ）〜（ｄ）の説明図。
【図１１】第７実施形態でのエルボ部でのねじれ波の反射（ａ）（ｂ）を示す概念図。
【図１２】従来のパンケーキコイルを使用した電磁超音波探触子を示す説明図。
【符号の説明】
【００４８】
Ａ，Ｂ，Ｃ  電磁超音波探触子
１  永久磁石
２  ソレノイドコイル
３  配管
６  交流電流
２２  エルボ配管
２３  ねじれ波
【図１】
0005305706.tif 000002
【図２】
0005305706.tif 000003
【図３】
0005305706.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005305706.tif 000006
【図６】
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【図７】
0005305706.tif 000008
【図８】
0005305706.tif 000009
【図９】
0005305706.tif 000010
【図１０】
0005305706.tif 000011
【図１１】
0005305706.tif 000012
【図１２】
0005305706.tif 000013